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5 de julho de 2024

A mudança climática causada pelas atividades humanas é um fato bem estabelecido. Segundo o Quarto Estudo da IMO sobre emissões de gases de efeito estufa da Organização Marítima Internacional (IMO), as emissões de CO2 decorrentes do transporte marítimo representam apenas 2,89% do total global.

Apesar dessa porcentagem relativamente baixa, a IMO está empenhada em reduzir seu impacto ambiental e incorporou esse objetivo em suas Direções Estratégicas. Em relação às emissões de gases de efeito estufa, a IMO visa reduzir as emissões do transporte marítimo em 40% até 2030, em comparação com os níveis de 2008. Para atingir esse objetivo, foram implementadas medidas como o Índice de Eficiência Energética para Navios Existentes (EEXI) e o Indicador Anual de Intensidade Operacional de Carbono (CII).

As atividades a bordo, incluindo propulsão, ar condicionado e serviços de hospitalidade, contribuem significativamente para o consumo de energia nos navios de cruzeiro. Com um foco crescente na sustentabilidade e responsabilidade ambiental, a indústria de cruzeiros está explorando tecnologias inovadoras para melhorar a eficiência energética e reduzir as emissões de gases de efeito estufa. Uma dessas tecnologias é a recuperação de calor residual (Waste Heat Recovery, WHR), um processo que captura e reutiliza o calor excedente gerado pelos motores e outros sistemas do navio. Este ensaio aprofunda os princípios do WHR, sua implementação nos navios de cruzeiro e as melhorias significativas em termos de eficiência e sustentabilidade que oferece.

Princípios da Recuperação de Calor Residual

A recuperação de calor residual em navios de cruzeiro é fundamental para aproveitar o calor que, de outra forma, se dissiparia no ambiente e convertê-lo em energia útil. As principais fontes de calor residual a bordo são principalmente os geradores a diesel. Os sistemas de WHR utilizam tecnologias como trocadores de calor, caldeiras de gases de escape e sistemas para utilizar o vapor residual para capturar e converter esse calor em eletricidade ou energia térmica para várias aplicações a bordo. Além desses componentes, os chillers de absorção desempenham um papel significativo nos sistemas WHR, utilizando o calor residual para fins de resfriamento. Os chillers de absorção absorvem o vapor do refrigerante em uma solução absorvente, acionada pelo calor residual dos motores ou outras fontes. Esse processo gera água refrigerada que pode ser distribuída através do sistema HVAC do navio, melhorando a eficiência do resfriamento e reduzindo a carga nos sistemas de resfriamento convencionais. Além disso, os circuitos de alta e baixa temperatura são essenciais para uma gestão energética eficiente a bordo. Os circuitos de alta temperatura gerenciam o calor de fontes como os gases de escape do motor e os sistemas de resfriamento, que podem ser utilizados para produzir vapor ou água quente para diversos fins. Os circuitos de baixa temperatura gerenciam calor menos intenso, tipicamente empregado em processos como a refrigeração. Integrar efetivamente esses circuitos garante que o calor residual seja maximizado para melhorar a eficiência energética geral e as práticas de sustentabilidade a bordo dos navios de cruzeiro.

– Trocadores de Calor:

Os trocadores de calor são componentes vitais a bordo dos navios de cruzeiro, desempenhando um papel crucial na gestão da energia e da eficiência. Esses dispositivos transferem calor entre dois ou mais fluidos sem misturá-los, permitindo a utilização eficaz da energia térmica gerada por vários sistemas a bordo do navio. Nos navios de cruzeiro, os trocadores de calor são amplamente utilizados em múltiplas aplicações para melhorar a eficiência operacional e a sustentabilidade.

Um dos principais usos dos trocadores de calor é no sistema de resfriamento do motor do navio. Aqui, eles transferem calor do líquido de resfriamento do motor para a água do mar, evitando o superaquecimento do motor e mantendo o desempenho ideal. Além disso, os trocadores de calor são fundamentais nos sistemas HVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado), onde gerenciam o clima do navio transferindo calor do sistema de ar condicionado para o ambiente externo ou vice-versa. Outra aplicação crítica é nos sistemas de recuperação de calor residual. Os trocadores de calor capturam o excesso de calor dos gases de escape do navio e de outros processos de alta temperatura, que é então utilizado para gerar vapor para a produção de eletricidade ou para aquecer a água para uso a bordo. Este processo reduz significativamente o consumo de combustível e diminui as emissões de gases de efeito estufa.

Além disso, os trocadores de calor são utilizados nas centrais de dessalinização dos navios de cruzeiro, onde ajudam a converter a água do mar em água doce recuperando e reutilizando o calor do processo de dessalinização.

De modo geral, o amplo uso dos trocadores de calor nos navios de cruzeiro destaca sua importância na melhoria da eficiência energética, na redução dos custos operacionais e na minimização do impacto ambiental das operações marítimas.

– Gases de Escape:

Os navios de cruzeiro empregam caldeiras de gases de escape (EGB) para aproveitar o calor residual dos gases de escape do motor. Posicionadas estrategicamente no sistema de escape do navio, as EGB transferem a energia térmica dos gases de escape a alta temperatura para a água que circula através de tubos ou condutas. As EGB são colocadas na chaminé ou no sistema de escape do navio, onde capturam o calor dos gases de escape quentes produzidos pelos motores principais e auxiliares do navio. Esses gases podem atingir temperaturas superiores a 500°C. Esse processo gera vapor, que serve a vários propósitos a bordo, em particular para fornecer água aquecida para diversos serviços e processos. Utilizando eficazmente o calor residual, as caldeiras de gases de escape melhoram a eficiência energética, reduzem os custos operacionais e contribuem para práticas marítimas sustentáveis ao reduzir as emissões de gases de efeito estufa.

– Vapor Residual:

O vapor residual a bordo dos navios de cruzeiro, gerado pelos gases de escape dos motores e pelos sistemas de aquecimento, pode ser aproveitado para melhorar a eficiência energética. O princípio é utilizar o vapor residual, frequentemente um subproduto das caldeiras de gases de escape dos motores, que contém tipicamente uma significativa energia térmica que, de outra forma, seria dissipada. Implementando sistemas de recuperação de calor residual como o Ciclo Rankine Orgânico e as turbinas a vapor, esse vapor pode ser convertido em eletricidade ou utilizado para aquecimento, reduzindo o consumo de combustível e as emissões, contribuindo assim para a sustentabilidade.

O Ciclo Orgânico de Rankine (ORC)

O sistema ORC é um processo termodinâmico utilizado para converter fontes de calor de baixa temperatura em eletricidade. Chamado assim em homenagem ao ciclo Rankine convencional, o sistema ORC emprega fluidos orgânicos com baixos pontos de ebulição, como refrigerantes ou hidrocarbonetos, em vez da água. Essa adaptação permite que o ORC aproveite eficientemente o calor de fontes de baixa temperatura, como calor residual industrial, energia geotérmica, combustão de biomassa e energia térmica solar. O processo ORC compreende quatro fases principais: evaporação, expansão, condensação e bombeamento. O fluido de trabalho é primeiramente aquecido pela fonte de calor de baixa temperatura no evaporador, causando sua vaporização. Este vapor de alta pressão é então utilizado para acionar uma turbina ou um expansor, gerando eletricidade. Depois de passar pela turbina, o vapor é condensado novamente em líquido no condensador e bombeado de volta para o evaporador, completando o ciclo. Os sistemas ORC são particularmente vantajosos devido à sua capacidade de utilizar calor de baixa qualidade que, de outra forma, seria desperdiçado. Oferecem alta eficiência e confiabilidade, baixos requisitos de manutenção e podem ser dimensionados de acordo com o tamanho da fonte de calor. Sua aplicação abrange diversas indústrias, tornando-os uma solução versátil e sustentável para melhorar a eficiência energética e reduzir as emissões de gases de efeito estufa.

Turbinas a Vapor

As turbinas a vapor que utilizam o vapor residual são uma tecnologia crucial para melhorar a eficiência energética e a sustentabilidade dos navios de cruzeiro. As turbinas a vapor capturam o vapor residual e convertem sua energia térmica em trabalho mecânico, que é então utilizado para gerar eletricidade. O processo começa com o vapor residual sendo direcionado para a turbina. À medida que o vapor passa pelas pás da turbina, faz com que elas girem. Esse movimento rotacional aciona um gerador, produzindo eletricidade. Utilizando o vapor residual, essas turbinas recuperam eficazmente energia que, de outra forma, seria desperdiçada, melhorando a eficiência energética geral.

Além disso, o uso de turbinas a vapor para a recuperação do vapor residual está alinhado com as regulamentações ambientais e os objetivos de sustentabilidade. Isso ajuda a indústria marítima a reduzir sua pegada de carbono, contribuindo para operações mais limpas e sustentáveis. De modo geral, as turbinas a vapor que utilizam o vapor residual representam um passo fundamental em direção a um uso de energia mais eficiente e ecológico no setor marítimo. No contexto dos navios de cruzeiro, a integração das turbinas a vapor com sistemas de recuperação de calor residual pode reduzir significativamente o consumo de combustível e as emissões de gases de efeito estufa, embora o espaço limitado a bordo dos navios de cruzeiro existentes represente um desafio significativo, já que o peso adicional de um sistema de turbina a vapor pode influenciar, dado que não podem ser instaladas em qualquer lugar a bordo.

Absorvedores Chillers

Os absorvedores chillers são integrados de forma contínua nos navios de cruzeiro como reforçadores da água de resfriamento para aumentar a capacidade de resfriamento do sistema HVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado). Eles utilizam o calor residual proveniente dos gases de escape do motor ou de outros processos de geração de calor a bordo. Esse calor residual é essencial para conduzir o ciclo de absorção do chiller. Durante a operação, os absorvedores chillers facilitam a absorção do vapor do refrigerante em uma solução absorvente, tipicamente brometo de lítio. À medida que o refrigerante se vaporiza e condensa novamente em líquido, gera água refrigerada. Essa água refrigerada é então alimentada na rede de distribuição de água refrigerada do navio, complementando a carga de resfriamento do sistema HVAC.

Normalmente, eles são integrados como reforçadores da água de resfriamento, oferecendo diversos benefícios, pois aumentam a capacidade geral de resfriamento do navio, garantindo que as demandas de resfriamento de pico possam ser atendidas de forma eficiente. Utilizando o calor residual para o resfriamento, os absorvedores chillers contribuem para melhorar a eficiência energética e reduzir o consumo de combustível em comparação com os chillers de compressão convencionais que dependem exclusivamente da energia elétrica. Essa integração melhora a flexibilidade operacional, permitindo que os navios de cruzeiro otimizem as operações de resfriamento, reduzindo o impacto ambiental e os custos operacionais. Em última análise, os absorvedores chillers desempenham um papel crucial no apoio a práticas sustentáveis a bordo dos navios de cruzeiro, proporcionando ambientes confortáveis tanto para os passageiros quanto para a tripulação.

Circuitos de alta e baixa temperatura:

Os navios de cruzeiro dependem tanto dos circuitos de alta temperatura quanto dos de baixa temperatura para gerenciar eficazmente a energia térmica para diferentes necessidades operacionais. Os circuitos de alta temperatura envolvem principalmente os geradores diesel para fornecer, capturar e transferir o excesso de calor dos sistemas de resfriamento dos motores para a água quente utilizada em várias aplicações a bordo. Em contraste, os circuitos de baixa temperatura desempenham um papel crítico na manutenção do resfriamento e do condicionamento ideais em todo o navio. Eles gerenciam sistemas de refrigeração essenciais para conservar mercadorias perecíveis e suprimentos a baixas temperaturas. Além disso, esses circuitos são parte integrante da infraestrutura HVAC do navio, garantindo ambientes internos confortáveis tanto para os passageiros quanto para a tripulação.

Esses sistemas são utilizados, por exemplo, para o pré-aquecimento da água potável fresca e o aquecimento da água das piscinas a bordo. Os circuitos de alta temperatura aproveitam o calor residual dos motores para aquecer a água potável, enquanto os circuitos de baixa temperatura frequentemente gerenciam o aquecimento da água das piscinas, utilizando sistemas dedicados conectados à infraestrutura HVAC do navio. Essa abordagem dupla garante que os passageiros possam desfrutar de água quente e piscinas confortavelmente aquecidas, otimizando ao mesmo tempo o uso da energia e reduzindo o impacto ambiental. A integração dos circuitos de alta e baixa temperatura é facilitada por meio de sofisticados processos de troca térmica e sistemas de controle. Essa integração otimiza a eficiência energética geral, reciclando o calor residual e reduzindo o consumo de energia através de vários sistemas operacionais. Utilizando eficazmente ambos os tipos de circuitos, os navios de cruzeiro melhoram seus esforços de sustentabilidade, reduzem a dependência de combustível, diminuem as emissões de gases de efeito estufa e alcançam significativas economias de custos operacionais ao longo do tempo. Essa abordagem abrangente destaca o compromisso da indústria marítima com a responsabilidade ambiental, oferecendo ao mesmo tempo uma experiência de cruzeiro confortável e eficiente.

Implementação a Bordo

A implementação de sistemas de recuperação de calor residual (WHR) em navios de cruzeiro requer planejamento meticuloso e integração contínua com a infraestrutura existente. Esse processo começa com a identificação e quantificação das fontes de calor residual a bordo, como os gases de escape do motor e os sistemas de resfriamento. O próximo passo fundamental envolve o projeto de um sistema WHR que esteja alinhado com as necessidades operacionais únicas do navio, selecionando componentes apropriados como trocadores de calor, caldeiras e turbinas. A integração com os sistemas existentes de geração e distribuição de energia é crucial para garantir um funcionamento sem problemas. Além disso, sistemas de monitoramento contínuo são implementados para rastrear o desempenho do sistema WHR e otimizar sua eficiência ao longo do tempo. Esse enfoque abrangente não apenas maximiza a recuperação de energia, mas também melhora a sustentabilidade operacional geral, reduzindo o consumo de combustível e as emissões, ao mesmo tempo que mantém serviços confiáveis a bordo para os passageiros.

Diversas empresas de cruzeiros já começaram a implementar sistemas WHR em seus navios. Por exemplo, empresas como Royal Caribbean e Carnival Corporation equiparam algumas de suas embarcações mais recentes com sistemas avançados de WHR, alcançando significativas reduções no consumo de combustível e nas emissões.

Os sistemas de recuperação de calor residual (WHR) representam um avanço tecnológico significativo na melhoria da eficiência energética a bordo de navios de cruzeiro. Esses sistemas são projetados para capturar e utilizar o calor residual proveniente de diversas fontes a bordo, como os gases de escape dos motores e sistemas auxiliares. Ao aproveitar eficazmente essa energia térmica que seria desperdiçada, os sistemas WHR podem alcançar economias substanciais de combustível, geralmente entre 10% e 15% do consumo total de combustível. Essas economias dependem das condições operacionais e da eficiência da tecnologia WHR utilizada, que inclui componentes como trocadores de calor, caldeiras de gases de escape e sistemas para utilização do vapor residual.

Do ponto de vista da engenharia, os sistemas WHR contribuem para a redução das emissões de gases de efeito estufa como CO2, NOx e SOx. Essa redução é crucial para cumprir com os rigorosos regulamentos ambientais internacionais estabelecidos por organizações. A eletricidade gerada a partir do calor residual recuperado não apenas atende às necessidades energéticas do navio, mas também aumenta a capacidade geral de energia a bordo. Essa energia elétrica adicional reduz a carga nos geradores principais, otimizando sua eficiência e prolongando sua vida útil operacional. Além disso, os sistemas WHR desempenham um papel crucial na melhoria da gestão térmica a bordo de navios de cruzeiro. Eles fornecem soluções eficientes de aquecimento para os sistemas de climatização e contribuem para o fornecimento de água quente em toda a embarcação. Essa dupla funcionalidade não apenas garante o conforto dos passageiros, mas também maximiza a eficiência no uso de energia.

Em conclusão, a integração dos sistemas WHR nas embarcações de cruzeiro não apenas melhora a eficiência operacional e os ganhos financeiros, mas também reduz significativamente o impacto ambiental. Ao diminuir o consumo de combustível e as emissões, enquanto otimiza o uso de energia, os sistemas WHR destacam o compromisso da indústria de cruzeiros com a sustentabilidade e a adoção de tecnologias ecológicas. Este enfoque não só beneficia os operadores de cruzeiros ao reduzir os custos operacionais, mas também promove práticas marítimas sustentáveis, alinhadas com os esforços globais para proteger o meio ambiente na indústria naval.

Além das melhorias na eficiência, os sistemas WHR melhoram significativamente o perfil de sustentabilidade das embarcações de cruzeiro. A indústria de cruzeiros está cada vez mais sob escrutínio devido ao seu impacto ambiental, e a adoção da tecnologia WHR representa um passo proativo em direção a operações mais ecológicas. Ao reduzir o consumo de combustível e as emissões, os sistemas WHR ajudam a mitigar a pegada ambiental das embarcações de cruzeiro, alinhando-se aos esforços globais para combater as mudanças climáticas.

Além disso, a adoção da tecnologia WHR estabelece um precedente positivo para a indústria marítima como um todo. Enquanto as empresas de cruzeiro demonstram a validade e os benefícios dos sistemas WHR, outros setores, como transporte de carga e operações offshore, podem ser incentivados a adotar tecnologias semelhantes, ampliando os benefícios ambientais em todo o setor marítimo.

Conclusão

As tecnologias de recuperação de calor residual (WHR) são fundamentais para melhorar a sustentabilidade e a eficiência operacional a bordo de navios de cruzeiro, englobando sistemas avançados como sistemas de Ciclo Orgânico Rankine (ORC), trocadores de calor, turbinas a vapor e absorvedores de ciclo de absorção. Esses sistemas contribuem coletivamente para reduzir o consumo de combustível, cortar emissões e manter o conforto dos passageiros.

Os sistemas ORC representam um exemplo de vanguarda na recuperação de calor residual, convertendo calor de baixa qualidade, como o proveniente dos gases de escape dos motores ou sistemas auxiliares, em eletricidade através de um ciclo fechado que utiliza fluidos orgânicos. Isso não apenas gera energia adicional a bordo, mas também reduz a dependência de geradores convencionais, otimizando o uso de combustível e diminuindo as emissões de gases de efeito estufa. Os trocadores de calor desempenham um papel crucial na transferência eficiente de calor entre fluidos sem misturá-los. A bordo dos navios de cruzeiro, capturam o calor residual de fontes como os sistemas de refrigeração dos motores e os gases de escape. Esse calor recuperado pode ser utilizado para pré-aquecer água para uso doméstico, apoiar sistemas HVAC ou alimentar os sistemas ORC para geração de eletricidade, melhorando assim a eficiência energética geral do navio.

Como complemento a esses esforços, as turbinas a vapor aproveitam o vapor de alta pressão gerado pelas fontes de calor residual para alimentar geradores a bordo ou sistemas de propulsão. Convertendo energia térmica em potência mecânica, as turbinas a vapor maximizam a utilização do calor que de outra forma seria desperdiçado, reduzindo significativamente o consumo de combustível e os custos operacionais. Enquanto isso, os absorvedores de ciclo de absorção utilizam o calor residual para facilitar os processos de resfriamento a bordo. Eficientemente produzem água refrigerada usando o calor dos gases de escape ou outras fontes, essencial para manter temperaturas internas confortáveis para passageiros e tripulação.

Em conclusão, a integração desses sistemas nas estratégias de recuperação de calor residual em navios de cruzeiro representa uma abordagem abrangente para a sustentabilidade e eficiência. Essas tecnologias não apenas mitigam o impacto ambiental, mas também melhoram a resiliência operacional e a lucratividade, garantindo que os navios de cruzeiro naveguem em direção a um futuro mais verde e ofereçam experiências excepcionais a bordo.

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Luca Paglia

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